전자기 유도는 자기장의 변화가 전기를 발생시키는 현상으로 1831년 마이클 패러데이가 발견했습니다. 이 원리는 발전기, 변압기, 전기 모터의 핵심이며 현대 전력 시스템의 기초가 되어 인류를 전기 문명으로 이끌었고, 무선 충전, 전기 기타, 금속 탐지기 등 일상 곳곳에서 작동하는 보편 기술입니다.
자석을 움직여 전기를 만드는 놀라운 발견
1820년 외르스테드는 전류가 자기장을 만든다는 것을 발견했습니다. 전선에 전류를 흐르게 하면 나침반 바늘이 움직였습니다. 이것은 전기와 자기가 연결되어 있다는 최초의 증거였습니다. 패러데이는 역으로 자기장이 전류를 만들 수 있을 거라고 생각했습니다. 10년간 실험한 끝에 1831년 성공했습니다. 코일에 자석을 빠르게 넣었다 뺐을 때 전류계 바늘이 움직였습니다. 자석이 정지하면 전류도 멈췄습니다. 중요한 것은 자기장의 변화였습니다. 정지한 자기장은 전류를 만들지 못했습니다. 패러데이 법칙은 유도 기전력이 자기 선속의 시간 변화율에 비례한다는 것입니다. ε = -dΦ/dt입니다. 음의 부호는 렌츠 법칙으로 유도 전류가 자기장 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 의미입니다. 이것은 에너지 보존의 결과입니다. 만약 유도 전류가 변화를 강화하면 무한한 에너지를 얻을 수 있어 모순입니다. 자기 선속은 자기장이 통과하는 면적입니다. Φ = BA·cosθ입니다. B는 자기장, A는 면적, θ는 각도입니다. 선속을 변화시키는 방법은 세 가지입니다. 자기장 세기를 변화시키거나, 코일 면적을 변화시키거나, 코일을 회전시켜 각도를 변화시키는 것입니다. 발전기는 세 번째 방법을 사용합니다. 자석 사이에서 코일을 회전시키면 선속이 주기적으로 변하며 교류 전압이 발생합니다.
전자기 유도와 패러데이 법칙
발전기가 운동을 전기로 변환하는 원리
발전기는 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 기본 구조는 회전하는 코일과 고정된 자석입니다. 코일이 회전하며 자기 선속이 변하고 전압이 유도됩니다. 실제 발전기는 반대로 코일을 고정하고 자석을 회전시킵니다. 이것을 회전자라고 하며 고정 코일은 고정자입니다. 회전자를 돌리는 동력원이 발전 방식을 결정합니다. 수력 발전은 떨어지는 물의 위치 에너지를 이용합니다. 댐에서 물이 터빈을 돌리고 터빈이 발전기 축을 회전시킵니다. 화력 발전은 석탄이나 천연가스를 태워 물을 끓이고 증기로 터빈을 돌립니다. 원자력 발전도 핵분열 열로 증기를 만드는 점에서 같습니다. 풍력 발전은 바람이 직접 터빈을 회전시킵니다. 발전기의 출력 전압은 회전 속도, 코일 감은 횟수, 자기장 세기에 비례합니다. 대형 발전기는 수만 볼트를 만듭니다. 주파수는 회전 속도로 결정되며 한국은 60헤르츠입니다. 발전기와 모터는 같은 장치입니다. 전기를 넣으면 모터, 회전시키면 발전기가 됩니다. 전기차의 회생 제동이 이 원리를 이용합니다. 브레이크를 밟으면 모터가 발전기로 전환되어 운동 에너지를 전기로 회수하며 배터리를 충전합니다.
변압기가 전압을 자유자재로 조절하는 방법
변압기는 전자기 유도로 전압을 변환합니다. 두 개의 코일이 철심을 공유합니다. 1차 코일에 교류 전류를 흐르게 하면 시간에 따라 변하는 자기장이 철심을 통해 2차 코일에 전달됩니다. 2차 코일에 전압이 유도됩니다. 전압비는 코일 감은 횟수 비와 같습니다. V₂/V₁ = N₂/N₁입니다. 2차 코일이 1차보다 많이 감겨 있으면 승압, 적으면 강압입니다. 이상적인 변압기는 전력을 보존합니다. V₁I₁ = V₂I₂입니다. 전압을 올리면 전류가 줄고 전압을 내리면 전류가 늘어납니다. 실제로는 철심의 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 효율이 99퍼센트 정도입니다. 변압기는 장거리 송전의 핵심입니다. 발전소에서 만든 전기를 직접 보내면 저항으로 많은 에너지가 열로 손실됩니다. P = I²R이므로 전류를 줄이는 것이 중요합니다. 승압 변압기로 수십만 볼트까지 높여 전류를 줄이면 송전 손실이 급격히 감소합니다. 목적지 근처에서 강압 변압기로 전압을 낮춰 가정에 공급합니다. 한국의 송전망은 765킬로볼트, 345킬로볼트 초고압 선로입니다. 변압기 덕분에 수백 킬로미터 떨어진 발전소에서 만든 전기를 효율적으로 사용할 수 있습니다. 직류는 변압기가 작동하지 않습니다. 자기장이 변하지 않기 때문입니다. 이것이 에디슨의 직류와 테슬라의 교류가 경쟁할 때 교류가 승리한 이유입니다.
와전류와 유도 가열
전자기 유도는 금속 덩어리에도 일어납니다. 변하는 자기장이 금속을 통과하면 내부에 소용돌이 모양 전류가 유도됩니다. 이것을 와전류 또는 에디 전류라고 합니다. 와전류는 금속의 저항으로 열을 발생시킵니다. 이것은 때로 문제이고 때로 유용합니다. 변압기 철심에서 와전류는 손실입니다. 이것을 줄이기 위해 철심을 얇은 판으로 적층하여 전류 경로를 방해합니다. 유도 가열은 와전류를 적극 활용합니다. 고주파 전류를 흐르게 한 코일에 금속을 넣으면 빠르게 가열됩니다. 주물 공장에서 금속을 녹이고 열처리하는 데 사용됩니다. 인덕션 레인지는 주방의 유도 가열입니다. 유리 상판 아래 코일이 고주파 자기장을 만들고 냄비 바닥에 와전류가 흐르며 가열됩니다. 냄비만 뜨거워지고 상판은 차가워 안전하고 효율적입니다. 금속 탐지기는 와전류로 금속을 감지합니다. 코일에서 나온 자기장이 금속에 와전류를 유도하고 와전류가 만든 자기장이 원래 코일에 영향을 줍니다. 이 변화를 감지하여 금속의 존재를 알립니다. 공항 보안 검색대도 같은 원리입니다. 전기 기타의 픽업도 전자기 유도입니다. 자석 위에 코일이 있고 금속 줄이 진동하면 자기장이 변하며 코일에 전압이 유도됩니다. 이 신호를 증폭하여 소리를 만듭니다.
무선 전력 전송과 미래 기술
무선 충전은 전자기 유도로 작동합니다. 충전 패드에 교류를 흐르게 하면 시간에 따라 변하는 자기장이 생깁니다. 스마트폰 내부 코일이 이 자기장을 받아 전류가 유도되고 배터리를 충전합니다. 치솔, 전동 면도기, 보청기도 무선 충전을 사용합니다. 한계는 거리입니다. 자기장은 거리의 세제곱에 반비례하여 약해집니다. 수 센티미터 이상 떨어지면 효율이 급격히 감소합니다. 공명 방식은 거리를 늘립니다. 송신 코일과 수신 코일을 같은 주파수로 공명시키면 수 미터 떨어져도 에너지를 전달할 수 있습니다. MIT의 위트리시티가 2007년 시연했습니다. 전기차 무선 충전이 상용화되고 있습니다. 주차 공간에 충전 패드를 설치하고 차 밑면에 수신 코일을 부착하여 주차만 하면 자동으로 충전됩니다. 플러그를 꽂는 번거로움이 없습니다. 도로에 충전 패드를 설치하여 주행 중 충전하는 연구도 진행됩니다. 무선 전력 전송의 꿈은 테슬라로 거슬러 올라갑니다. 그는 와덴클리프 타워로 전 세계에 무선으로 전력을 보내려 했지만 실패했습니다. 초장거리 무선 전력은 여전히 도전입니다. 전자기파 방식은 마이크로파로 에너지를 보내고 정류 안테나로 받습니다. 우주 태양광 발전이 이 방식을 고려합니다. 궤도에서 태양 에너지를 모아 지상으로 전송하는 것입니다. 전자기 유도는 센서에도 응용됩니다. 근접 센서는 금속이 가까이 오면 코일의 인덕턴스가 변하는 것을 감지합니다. 엘리베이터 위치 감지, 자동문 센서에 사용됩니다. 초전도 자기 부상 열차도 전자기 유도를 이용합니다. 궤도에 코일이 있고 열차가 지나가면 와전류가 유도되어 자기장을 만듭니다. 이 자기장이 열차를 밀어 올려 마찰 없이 부상합니다. 패러데이의 발견은 과학사에서 가장 영향력 있는 발견 중 하나입니다. 자석과 코일이라는 단순한 장치로 전기를 만들 수 있다는 것은 혁명이었습니다. 전기 발전소, 전기 모터, 전기 자동차, 무선 충전 모두 전자기 유도에 의존합니다. 패러데이는 수식을 쓰지 못했지만 물리적 직관이 탁월했습니다. 맥스웰이 수학적으로 정식화하여 전자기 이론을 완성했습니다. 전자기 유도는 보이지 않는 전기와 자기의 춤이며 현대 문명의 에너지원입니다.